Ольга Косарева - Шпаргалка по общей электронике и электротехнике

Если в германии было определенное число электронов, а после добавления донорной примеси концентрация электронов возросла в 1000 раз, то концентрация неосновных носителей(дырок)уменьшится в 1000 раз, т. е. будет в миллион раз меньше концентрации основных носителей. Это объясняется тем, что при увеличении в 1000 раз концентрации электронов проводимости, полученных от донорных атомов, нижние энергетические уровни зоны проводимости оказываются занятыми и переход электронов из валентной зоны возможен только на более высокие уровни зоны проводимости. Но для такого перехода электроны должны иметь большую энергию и поэтому значительно меньшее число электронов может его осуществить. Соответственно значительно уменьшается число дырок проводимости в валентной зоне.

Таким образом, ничтожно малое количество примеси существенно изменяет характер электропроводности и величину проводимости полупроводника. Получение полупроводников с таким малым и строго дозированным содержанием нужной примеси является весьма сложным процессом. При этом исходный полупроводник, к которому добавляется примесь, должен быть очень чистым.

В полупроводниках, помимо тока проводимости, может быть еще диффузионный ток, причиной возникновения которого является не разность потенциалов, а разность концентраций носителей. Выясним сущность этого тока.

Если концентрация носителей заряда распределена равномерно по полупроводнику, то она является равновесной. Под влиянием каких-либо внешних воздействий в разных частях полупроводника концентрация может стать неодинаковой, т. е. неравновесной. Например, если часть полупроводника подвергнуть действию излучения, то в ней усилится процесс генерации пар носителей и возникнет дополнительная концентрация носителей, называемая избыточной.

Так как носители имеют собственную кинетическую энергию, то они всегда стремятся переходить из мест с более высокой концентрацией в места с меньшей концентрацией,т. е. стремятся к выравниванию концентрации.

Явление диффузии наблюдается для многих частиц вещества, а не только для подвижных носителей заряда. Всегда причиной диффузии является неодинаковость концентрации частиц, а сама диффузия совершается за счет собственной энергии теплового движения частиц.

Диффузное движение подвижных носителей заряда (электронов и дырок) представляет собой диффузный ток /. Этот ток так же, как ток проводимости, может быть электронным или дырочным. Плотности этих токов определяются следующими формулами: i = eDn ?n /?x и ip=– eDp?p /?x, где величины ?n/?x и ?с/?x являются так называемыми градиентами концентрации, а Dnи Dp– коэффициенты диффузии. Градиент концентрации характеризует, насколько резко меняется концентрация вдоль расстояния х, т. е. каково изменение концентрации nили pна единицу длины. Если разности концентрации нет, то ?n=0 или ?p =0 и никакого тока диффузии не возникает. А чем больше изменение концентрации ?n или ?p на данном расстоянии ?x, тем больше ток диффузии.

Коэффициент диффузии характеризует интенсивность процесса диффузии. Он пропорционален подвижности носителей, различен для разных веществ и зависит от температуры. Коэффициент диффузии для электронов всегда больше, чем для дырок.

Знак «минус» в правой части формулы для плотности дырочного диффузионного тока поставлен потому, что дырочный ток направлен в сторону уменьшения концентрации дырок.

Если за счет какого-то внешнего воздействия в некоторой части полупроводника создана избыточная концентрация носителей, а затем внешнее воздействие прекратилось, то избыточные носители будут рекомбинировать и распространяться путем диффузии в другие части полупроводника.

Величина, характеризующая процесс убывания избыточной концентрации во времени, называется временем жизни неравновесных носителей.

Рекомбинация неравновесных носителей происходит в объеме полупроводника и на его поверхности и сильно зависит от примесей, а также от состояния поверхности.

При диффузном распространении неравновесных носителей, например электронов, вдоль полупроводника концентрация их вследствие рекомбинации также убывает с расстоянием.

Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным, или р-п-переходом.

Электронно-дырочный переход обладает свойством несимметричной проводимости, т. е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов, применяемых в радиоэлектронике, основана на использовании свойств одного или нескольких р-п-переходов. Рассмотрим физические процессы в таком переходе.

Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует. Так как носители заряда в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое движение, т. е. имеются собственные скорости, то происходит их диффузия (проникновение) из одного полупроводника в другой. Носители перемещаются оттуда, где их концентрация велика, туда, где концентрация мала. Таким образом, из полупроводника п-типа в полупроводник р-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из полупроводника р-типа в полупроводник п-типа диффундируют дырки.

В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области п возникает положительный объемный заряд. Он образован главным образом положительно заряженными атомами до-норной примеси и в небольшой степени пришедшими в эту область дырками. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и отчасти пришедшими сюда электронами.

Между образовавшимися объемными зарядами возникает так называемая контактная разность потенциалов и электрическое поле.

В р-п-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей.

Чем больше концентрация примесей, тем выше концентрация основных носителей и тем большее количество их диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает и увеличивается контактная разность потенциалов, т. е. высота потенциального барьера. При этом толщина р-п-перехода уменьшается.

Одновременно с диффузным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. Это поле перемещает дырки из п-области обратно в р-область и электроны из р-области обратно в п-область. При определенной температуре р-п-переход находится в состоянии динамического равновесия. Каждую секунду через границу в противоположных направлениях диффундирует определенное количество электронов и дырок, а под действием поля такое же их количество дрейфует в обратном направлении.

Перемещение носителей за счет диффузии является диффузионным током, а движение носителей под действием поля представляет собой ток проводимости. При динамическом равновесии перехода эти токи равны и противоположны по направлению. Поэтому полный ток через переход равен нулю, что и должно быть при отсутствии внешнего напряжения. Каждый из токов имеет электронную и дырочную составляющие. Величины этих составляющих различны, так как они зависят от концентрации и подвижности носителей. Высота потенциального барьера всегда автоматически устанавливается именно такой, при которой наступает равновесие, т. е. диффузионный ток и ток проводимости взаимно компенсируют друг друга.

Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику р-типа, а отрицательным полюсом – к полупроводнику п-типа.

Электрическое поле, создаваемое в р-п-переходе прямым напряжением, действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Результирующее поле становится слабее и разность потенциалов в переходе уменьшается, т. е. высота потенциального барьера понижается, возрастает диффузионный ток. Ведь пониженный барьер может преодолеть большее количество носителей. Ток проводимости почти не изменяется, так как он зависит главным образом только от числа неосновных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей в область р-п-перехода из объемов п– и р-областей.

При отсутствии внешнего напряжения диффузный ток и ток проводимости равны и взаимно компенсируют друг друга. При прямом напряжении iдиф> iпров и поэтому полный ток через переход, т. е. прямой ток, уже не равен нулю: iпр = iдиф – iпров> 0.